并行埋地敷设管道安全性影响评估技术研究

董绍华 彭东华 邸鑫 张河苇

中国石油大学（北京）

摘要：管道运输系统是现代重要的运输系统之一，已经普遍应用于现代工业生产、城市建设以及社会各个领域。管道运输是陆地输送天然气主要方式。我国中西部地区地形复杂，管道走廊用地紧张，多条管道不可避免的需要并行敷设，而且在以后的管道建设中，并行敷设管段还要增加，因此就，解决并行管道建设、生产运行等方面面临的问题，及时开展风险评价是非常必要。本文通过对管道泄漏工况的分析，模拟管道爆炸初始TNT爆炸当量，采用ANSYS -Autodyn软件对管道爆炸冲击进行数值模拟，结合1016mm管道敷设工况，确定物理模型参数，分析不同并行间距下埋地天然气爆炸对并行管道的冲击破坏效应，提出并行管道安全间距，确定其合理范围，同时评价一条管道发生失效时对另一条管道的影响，通过并行管道的安全评价，可为管道运营和维护提供有力的帮助。

关键词：天然气管道 并行 风险 评估 模型

1、前言 

管道敷设方式一般采取单根管道埋地的独立敷设方式，但随着经济发展和地理环境的限制，路由紧张局面必须采取并行敷设和同沟敷设，国外俄罗斯长输油气管道采取并行的工程实例较多，其中有著名的俄罗斯中亚-中央输气管道，一线建于1967年，到1976年，四线建成。中亚-中央输气管道主要有四条，主要负责莫斯科的天然气输送。线路平均长度达到2800多公里^[1]。

近年来，我国探明天然气储量持续增长。因天然气是一次性能源中相对清洁的产品，消费规模也迅速扩大。新增探明储量主要位于鄂尔多斯、塔里木、准噶尔盆地及四川盆地。管道敷设也从单根管线发展到多条管线并行敷设、联合运行的局面。陕京二线和三线并行段达到460公里以上，途径很多地形复杂区域，有的地段间距不足5米，具有极高的施工难度和巡线难度。

中亚输气管道并行敷设，两管直径均为1067mm，管线经过土库曼-乌兹别克斯坦-哈萨克斯坦后到达中国边境霍尔果斯，目前该项目正在实施中，线路全长为1818km。

除此以外，输油管道也有并行敷设的情况。例如，目前西气东输二线在新疆、甘肃和宁夏境内分别与已建的独鄯成品油管道、西部管道和西气东输一线长距离并行敷设，同时还要考虑与正在规划的独乌鄯原油管道，鄯乌输气管道，西气东输三线等管道并行。此外，庆铁线与庆铁复线（八三管道）也是并行敷设，管道起点为大庆市林源，终点为铁岭输油站，全长516.34km。 

 埋地管道不同于地上管道，其发生失效后泄漏引发管道爆炸的几率远低于地上管道。但由于土壤对爆炸空间的限定，埋地管道发生爆炸后，爆轰现象形成的冲击波受到土壤持续反射作用，冲击波超压迅速上升，比地上管道爆炸的产生的冲击波超压高一个数量级。但由于土壤对冲击波压力和冲量的传递比空气慢，因此冲击波对并行管线的破坏是一个缓慢的过程。随着并行间距的增加，爆炸能量逐渐被土壤吸收，冲击波对并行管线的破坏能力也迅速下降。因此，埋地管道爆炸与地上管道爆炸相比，其对并行管线的破坏程度、作用时间、变形规律存在很大差异。

国内有关设计标准规定了管道并行间距为6米^[1-2]，并行管道的间距是否符合风险后果的要求，需要建立分析模型和力学仿真得到。

本文采用有限元仿真模拟的方法，基于管土作用的TNT爆炸当量爆破冲击能量守恒原理，合理确定边界，解决并行管道安全间距问题，建立了量化有限元模型，使用现代爆炸力学大型有限元分析系统仿真技术，确定并行管道间距的合理范围，同时评价一条管道发生失效时对另一条管道的影响，通过并行管道的的定量化安全评价，可为管道的安全运营和入场维护提供技术支持。 

2  并行管道数学模型

2.1 有限元模型

采用Autodyn软件对管道爆炸冲击进行数值模拟。结合1016mm管道敷设工况，确定物理模型参数，分析不同并行间距下埋地天然气爆炸对并行管道的冲击破坏效应。

管道泄漏时间取=180s，转化为TNT当量=25.74kg。初始化TNT当量球，取半径156mm。建立二维楔形TNT爆炸模型：156mm1000mm，计算时间0.25ms。空气材料Air（Ideal gas），管线材料Steel1006和Steel4340和，TNT材料状态方程JWL，土壤材料选用CONC-35MPA，其状态方程为P-alpha，强度模型为RHT-concrete，GAS材料基于AIR材料本构模型修改密度和内能。

总体物理模型设置为：两个内径1197mm的管道并行放置在土壤中，埋深=1.5m。土壤除顶部与空气接触外，其余5面默认为无限边界。两个管道与土壤水平方向的边界距离均保持=2m。两管道中心间距分别设置为2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m，其中一个管道以等当量TNT球代替，见图2.1。

 

 

图2.1 物理模型示意图

 

为提高计算效率，选取建立1/2管道、1/2土壤和1/4TNT球物理模型。在Workbench中建立（4m+）2m2m的土壤模型，并在管道位置预留两个圆柱孔洞。建立Pipeline模型和Gas模型，填充进土壤圆柱孔洞中，设置接触对。

 

图2.2 workbench埋地管道模型

 

将上述空间模型通过Explicit Dynamics模块导入Autodyn软件，确定Grid、Ini.Cond条件和边界条件，修正GAS材料状态方程参数和强度模型参数。添加Air和TNT材料，建立Space的Euler-FCT模型，覆盖整体土壤模型。将计算后的二维楔形TNT爆炸模型remap导入Space模型。球心坐标选取原爆破并行管线的轴心。

 

 

图2.3 空间模型示意图

 

2.2 边界条件及接触

土壤模型除地表表面外，其余5面为半无限体，均设置为Flow out边界。土壤地面添加=0m/s约束。管道内压为6MPa，=0端轴向位移=0m/s，见图2.4。

接触对的设置同时考虑管道内部与Gas、外部与空气的接触。此处设置内部接触对为trajectory接触，保证能量守恒和动量守恒，并随时跟踪模型中节点与面的接触。设置外部接触为流固耦合，保证能量传递的准确性。

 

  

 图2.4 边界条件 

为跟踪管道管壁位移量和速度大小随时间变化的关系，需要在管道模型上添加一定数量的Gauge点，其位置极坐标以轴为原点，每隔45°选取一系列Gauge点，见图2.5。 

 

图2.5 Gauge点分布图 

3 计算结果分析

由于埋地管道同时受管道爆炸和土壤变形挤压作用，容易产生大变形破坏甚至出现管道压裂现象。因此对埋地管道的失效分析不同于地上管道，须根据管道的被破坏形式分为压裂失效和大变形破坏两大部分。下面分别展示并行间距2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m的埋地管道受爆炸冲击的最终计算结果，分别探讨其破坏规律。

3.1 并行间距2m

该物理模型中的gauge点分布如下图所示， 

 

图3.1    2m并行间距管道Gauge点分布图 

各系列Gauge点随时间推移所受冲击压强及积分变化变化曲线图见图3.2。总计算时间为160ms。埋地管道发生爆炸时，近爆炸源土壤发生液化现象，冲击超压直接透过土壤传递给近距离并行管线，管道同时受爆炸超压和土壤塑性变作用，发生大变形甚至破裂失效。

图3.2  2m并行间距各系列Gauge点压强曲线图 

由图3.2可看出，管道Z=0端所受冲击超压依旧大于管道Z=2m端，即管道远离爆炸源部位所受超压大于靠近爆炸源部位，这一点与地上管道一致，均是由冲击波在传递过程中发生折射、振荡造成的。

系列Gauge点中均以管道尾端Gauge点所受压强最大，且振荡最明显。故表1数值只用来代表各系列Gauge点所受冲击压强数量级，具体数值只做参考.

表1   Gauge点所受冲击压强超压最值表

 其各系列Gauge点总位移最大值见表2。由上图观测到，管道最大变形位置为各Gauge points系列的起始点，所以Gauge点位移最值均选取各Gauge points系列起始点的位移值。另外，管道上各探测点的位移变化曲线呈波动现象，并非持续增长，因此这里的总位移最大值只作为探测点总变形量的一个参考值，与最终变形量无直接关系。 

表2  Gauge点总位移最大值

 观察图3.2，埋地管道所受冲击压力较于地上管道显得非常平稳，与地上管道所受冲击超压的在正负压之间循环波动的特征完全不同。各Gauge points系列点所受冲击压力变化曲线特征明显，除每个Gauge点系列的第一点、第二点依旧呈正负相波动外，其余探测点波动幅度的正相负相界限明显。这说明埋地管道所受冲击压强不仅包含爆炸冲压，还包含土壤变形对它的挤压力。

表3.2中，Gauge点6的位移达527mm，为管道变形最大点，管道第二大变形位置为管道正面靠近顶部的部位，即与管道正对爆炸源位置呈逆时针45°夹角处。管道背面变形量整体小于正面变形量，最大值仅为155mm。管道受冲击载荷状况见下图3.3。

图3.3  管道受冲击变形过程 

当埋地管道并行间距为2m时，管道爆炸对并行管道的冲击破坏效应是巨大的，会迅速引起管道破裂失效。其变形原理为：爆炸源产生的高强度冲击波对周边土壤产生振动液化，形成爆破漏斗。土壤持续受振动冲击产生塑性变形，该变形延伸至并行管线周围，对管道正面进行挤压，导致管道水平方向上继续大幅变形。管道背面土壤受漏斗挤压密度增大，结构趋于稳定，导致管道背面变形远小于正面，最终引起管道破裂。变形规律为：管道起始变形位置为正面Gauge点1~5部位，之后该部位持续凹陷。管道顶部和底部不断向外延伸，管道背面受土壤作用不发生大形变。最终管道呈被压裂状态，破裂位置为管道顶部和底部，与最大变形位置相垂直。

3.2 并行间距3m

该物理模型中的gauge点分布如下图所示，其详细位置坐标见附录P。

 

 

图3.4   3m并行间距管道Gauge点分布图

各系列Gauge点随时间推移所受冲击压强及积分变化变化曲线图见图3.4。由前面知，埋地管道受近距爆炸冲击产生实效现象的时间在100ms以内，这里选择计算时间为160ms。埋地管道发生爆炸时，近爆炸源土壤发生液化现象，冲击超压直接透过土壤传递给近距离并行管线，管道同时受爆炸超压和土壤塑性变作用，发生大变形甚至破裂失效。

图3.5   3m并行间距各系列Gauge点压强曲线图 

图3.5 中管道远离爆炸源部位所受超压大于靠近爆炸源部位，系列Gauge点中均以管道尾端Gauge点所受压强最大，且振荡最明显，不能代表引起管道大变形的实际超压值，这里只选取Z=2m端即近爆炸源端的Gauge点分析。下表为各Gauge points系列起始点的超压最值表。

                             表3 Gauge点所受冲击压强超压最值表

 

图3.6 管道受冲击变形过程 

图3.6所示，管道破裂位置与前面理论位置一致。说明埋地管道并行间距为3m时，管道爆炸虽然不能对并行管线产生直接的超压破坏，但爆炸引起的周围土壤塑性变形会直接挤压管道引起管道整体沿X轴方向移动，管道正面变形量远大于管道背面，导致管道正面斜上、斜下部位为相对变形量最大部位，为管道破裂位置。而管道正对爆炸源位置为管道最大变形，但不是管道破裂失效位置。 

总体来看，并行间距为3m时，埋地管道受并行管线爆炸冲击所受到的冲击破坏效应与2m并行间距基本一致，其失效位置均为管道正面靠近顶部和底部的部位，其失效原因均由土壤塑性变形对管道产生挤压引起。管道最大变形均为正对爆炸源位置，失效位置与最大变形位置呈90°垂直。地下爆炸虽然促使土壤形成爆破漏斗，但由于并行间距小，漏斗不能在管道位置形成集中堆积应力，管道变形呈整体X轴负方向移动。 

3.3 并行间距4m~6m

埋地管道同时受管道爆炸和土壤变形挤压作用，容易产生大变形破坏甚至出现管道压裂现象。因此对埋地管道的失效分析不同于地上管道，须根据管道的被破坏形式分为压裂失效和大变形破坏两大部分。前面通过对2m、3m并行间距系列进行分析，确定在并行间距小于3m时埋地管道爆炸会造成并行管道破裂失效。本文的最终计算目的是确定管道失效后果风险分析，而管道受爆炸破坏会发生失效破裂和大变形破坏两种风险后果。

下图分别展示埋地管道间距4-6米的管道受爆炸冲击破坏形态的最终计算结果，并与间距7-8米的破坏形态计算结果相比较，根据计算结果，以不同的破坏形式对并行间距进行划分，分别探讨其破坏规律（在下一节中不再对7-8米间距的破坏形态图进行分析和说明）。

图3.7 不同并行间距下管道最终变形 

图3.7 中为并行间距。由图可看出，并行间距在2m-3m之间时，管道受土壤水平变形挤压，管道顶部和底部发生压裂失效。并行间距在4m-6m之间时，管线爆炸产生的冲击波无法直接对并行管线产生破坏，而是掀起土壤形成爆破漏斗，爆破漏斗在颈部形成土壤堆积，使土壤产生塑性变形，对管道产生挤压作用，导致管道发生压裂失效。并行间距达到7m后，土壤即使形成爆破漏斗，由于并行间距大，漏斗产生的土壤堆积也无法直接作用并行管线，这时管线的变形主要由周围土壤的弹性变形力造成。这里的理论前提是将远端的土壤看做粘弹性线性变形，该理论前面已详细阐述，这里不再赘述。

管道近爆炸源端变形量最大，因此取管道上各Gauge点系列的起始点位研究对象，绘制其压强和位移曲线，见图3.8。图中自左到右、自上到下依次为压强曲线图、位移曲线图、速度曲线图、冲量曲线图。

 

图3.8 6m并行间距各Gauge点参量曲线图 

并行间距分别为4m、5m、6m时，其所受爆炸超压幅度和波动频率基本一致，Gauge点位移速度梯度下降，但仍保持同一数量级。管道受冲击冲量趋势一致，均在t=50-100ms内阶跃上升，管道变形量均在这一时间段内迅速上升。

各点最大位移值见表3.6、表3.7和表3.9。 

表3.6    4m并行间距Gauge点位移最大值

 

表3.7   5m并行间距Gauge点位移最大值

 

表3.8   6m并行间距Gauge点位移最大值

 

以6m并行间距系列为例，观察其整体变形过程，分析其变形规律。见图3.9，图中左边同时显示土壤、管道、Gas和冲击矢量，右边只显示管道和冲击矢量。

 

图3.9   管道变形过程

 

土壤边界条件设置为：除地表表面外，其余5面为无限边界。当=50ms时，在爆炸冲击的不断振荡下，周边土壤不断液化凹陷，开始被向上掀起。图3.8中可看出，爆炸超压已无法直接作用于管道，管道在前50ms基本无形变。

=100ms时，土壤已形成爆破漏斗，被掀起的土壤向上弯曲，引起X轴负方向的土壤受挤压塑性变形，包括并行管道顶部的土壤。土壤塑性变形产生内部应力，压迫管道引起形变。

=120ms时，土壤持续变形，在Gauge点6处形成集中应力，造成管道破裂。在管道相对位置Gauge点31处，土壤受上下挤压变形，带动管道向内凹陷，管道变形值达95.72mm。

当120ms之后爆炸冲击波不断向地表扩散，总能量释放进空气中。但由于爆破漏斗形变速度小于爆轰波传递速度，冲击波释放完毕后，土壤仍然保持被掀起状态，引起管道持续变形。

以上即是并行间距6m系列埋地管道受爆炸冲击影响的破裂失效过程。4m系列和5m系列与之类似，不再赘述。

终上所述，并行间距为4m-6m时，埋地管道受并行管线爆炸冲击作用下，其变形和失效规律为：管道最大变形位置为管道正面靠近顶部处和背面靠近底部处，亦是管道破裂部位。其变形原因主要由土壤变形引起，具体过程与3m系列类似，爆炸冲击已无法对管道产生直接作用。爆炸能量释放进空气中后，管道受土壤挤压作用仍持续变形。

3.4 并行间距7m~8m

当并行间距8m时，管道不再产生破裂失效现象。这里从压力和变形量角度分析其受冲击破坏效应。

图3.10 管道变形过程 

图3.1o为8m并行间距下管道变形过程。当t=80ms时，土壤开始形成爆破漏斗。之后，漏斗体积不断扩大，但由于最终漏斗口径是一定的，其形成的土壤堆积与并行管道仍存在很大距离，所以爆破漏斗不再对并行管线的变形起决定作用。之后，地表土壤不断被掀飞（图3.10），管道变形受土壤整体粘弹性变形作用，其大变形位置依然为管道正面靠顶部位置，但该变形量不会引起管道破裂失效。

综上，在并行间距大于等于8m时，管道不再发生破裂，其变形应力来自土壤粘弹性变形应力。最大变形位置为管道正面靠近顶部位置。虽然该变形量不会导致管道破裂，但已超出管道椭圆化设计准则。为保证埋地并行管道安全，其敷设间距应当大于等于8m。 

4 模型有效性验证

TNT当量法为蒸气云爆炸（Unconfined Vapor Cloud Explosion ，简称UVCE）模拟方法中的典型模型，其原理是把气云爆炸的破坏作用转化成TNT爆炸的破坏作用，从而把蒸气云的量转化成TNT当量。

当埋地管道泄漏爆炸时，不考虑地表上已逸出可燃气体，在土壤所包含的气相进入饱和状态时，计算埋地管道的总泄漏量并转化为TNT当量，对埋地管道爆炸冲击能量进行预测。

                       （4.1）

式中：

——蒸气云的TNT当量，kg；

——蒸气云中燃料的总质量，kg；

——蒸气云当量系数，统计平均值为0.04；

——蒸气的燃烧热，J/kg；

——TNT的爆炸热，J/kg，（4230~4836kJ/kg，一般取平均4500kJ/kg）；

 

取泄漏时间=180s，其他参数与地上管道设定一致，代入式（4.1）得=1072.81kg，转化为TNT当量为=25.74kg。

土壤中的爆炸冲击波波阵面峰值压力、比冲量和冲击波作用时间通过式（4.2）计算。冲击波波阵面峰值压力、比冲量和冲击波作用时间与爆炸特征长度之间的关系见式（4.2）。

                （4.2）

式中，、、、、和为TNT装药的试验常数。针对陕京二线埋地敷设管线土壤主要为天然气组合砂，这里取=230，=2，=1.10，=0.075，=0.004，=0.016。

 

埋地管道不同于地上管道，当并行间距小于8m时，管道会发生破裂失效，且其变形应力来自土壤塑性变形应力作用，该数值无法用理论验证。当并行间距达到8m后，管道变形力来自土壤粘弹性，可直接计算其理论超压值。

将埋地管道爆炸的TNT当量值=25.74kg代入式（4.2），得

=273.12MPa

该值与Gauge点6所受正超压均值误差为：

=21.23%

表明埋地管道爆炸模型建立合理，计算结果具备有效性。

 

5 结论

本文以埋地管道为研究对象，建立地下管道爆炸对并行管线的冲击模型，通过对不同间距系列管道变形分析，得到以下冲击破坏规律：

（1）在并行间距不大于3m时，埋地管道变形前期受爆炸冲击超压影响，后期主要由土壤变形挤压造成。管道正面全部受土壤挤压产生大变形，管道正面集体向X轴负方向移动，管道相对变形量最大点为管道顶部和底部，导致这两个部位发生破裂。

（2）并行间距为4m-6m时，埋地管道的变形原因主要由土壤变形引起，具体过程与3m系列类似，爆炸冲击已无法对管道产生直接作用。管道最大变形位置为管道正面靠近顶部处和背面靠近底部处，亦是管道破裂部位。爆炸能量释放进空气中后，管道受土壤挤压作用仍持续变形。

（3）并行间距大于等于8m时，管道不再发生破裂，其变形应力来自土壤粘弹性变形应力。最大变形位置为管道正面靠近顶部位置。虽然该变形量不会导致管道破裂，但已超出管道椭圆化设计准则。

终上所述，相比于地上管道，埋地管道虽然发生爆炸的概率较低，但其爆炸冲击将引起并行管线发生大形变甚至破裂失效。为保证埋地并行管线的稳定运行，其敷设间距必须大于8m。如果敷设环境特殊，如并行间距小于6m，必须在两个管道之间设置防护板，隔离两管道间的土壤变形。

 

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